【河北日报】散裂中子源“超级显微镜”

  

近日拍摄的中国散裂中子源漂移管直线加速器。

  □记者 吴 韬

  近日,我国“十二五”期间建设的规模最大的大科学装置、位于广东东莞的国家大科学工程—中国散裂中子源(CSNS)首次打靶成功,获得中子束流。这标志着该项目主体工程顺利完工,进入试运行阶段。

  “作为探索物质微观结构的‘超级显微镜’,中国散裂中子源将在2018年春按计划全部完工,正式对国内外开放。”有专家认为,建成后,散裂中子源将为我国相关科研提供有力支撑,并为解决国家可持续发展和国家安全战略需求的许多瓶颈问题提供先进平台。

  1

  散射:

  把“一把弹珠”扔进“蹦床”

  在材料学、生命科学等领域,科学家们一直在寻找一种装置,可使人类像使用X射线“拍摄”人体医学影像那般,看清原子、分子的模样。

  “散裂中子源就是这样的一种装置,打个比喻,它很像一台‘超级显微镜’。”河北师范大学物理科学与信息工程学院教授崔树旺说,散裂中子源可以通过和物质发生相互作用来研究物质的微观结构。

  要了解散裂中子源的“超能力”,得从中子的特性说起。

  “中子是由英国物理学家查德威克在1932年发现的,从那时起,人类开始认识到原子核是由带电的质子和不带电的中子构成。”崔树旺称,作为构成原子核的基本粒子之一,中子在宇宙中大量存在,构成了一半以上的可见物质。

  中子非但不带电,而且还具有存在磁矩,穿透性强,能分辨轻元素和同位素以及非破坏性等特性,这让科学家们欣喜不已。

  当一束中子入射到被研究对象上时,它便会和研究对象的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射反应。通过测量散射出来的中子能量和动量变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,并了解原子和分子的位置及其运动状态。

  “通俗一点来说,中子散射技术就像使用一把弹珠来测量一张蹦床的结构。”崔树旺表示,“当你抛出弹珠,弹珠和蹦床发生碰撞后,会飞向不同方向,如果能够把所有弹珠的轨迹都测量清楚,通过计算便可以反推出蹦床的结构。”

  “其中,弹珠相当于中子;弹珠打到蹦床上向各个方向散开,即中子散射过程;蹦床,则是我们希望研究的物质微观结构。”崔树旺表示,这是一种极为有效的研究物质微观结构和运动规律的方法。

  中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。自1936年科学家成功进行首次中子衍射实验以来,中子的应用已遍及物理、化学、材料、地质、能源、医疗和环境保护等众多学科领域。

  不过中子的使用也存在一些“麻烦”,由于存在衰变,自由中子十分不稳定,平均寿命不到15分钟,无法直接被用来探索材料的微观结构。因此一种能获得高性能中子的大科学装置——散裂中子源便应运而生了。

  “散裂中子源其实就是一个可以产生中子的装置。其特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量,由于其能提供的中子能谱更加宽广,大大扩展了中子科学研究的范围。”崔树旺称。

  事实上,散裂中子源并不是唯一能产生中子的装备。反应堆中子源是另一种可以稳定连续产生中子的装备,它通过核裂变来产生中子。不过在散裂中子源出现之后,由于在运转过程中不需使用核燃料,只产生极少量活化产物,同时又具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构等独特优点,近年来散裂中子源已成为国际公认的新一代高脉冲通量、宽波段、高效安全的中子源。

  2

  打靶:

  质子“加速跑”从原子核中轰出中子

  虽然中子是微小的,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,它不是一台放在实验桌上的仪器,而是由数量庞大的各种高、精、尖设备和仪器所组成的一个有机的整体。

  正在东莞建设的中国散裂中子源,是国家“十二五”规划中重点建设的重大科技基础设施,整个装置建在离地面13米至18米的地下,以屏蔽辐射。其中直线加速器隧道长240米,环形加速器周长228米,有半个足球场那么大。

  “通常散裂中子源都是由质子加速器、产生中子的靶站和中子散射谱仪等三部分组成。”崔树旺介绍,其中,质子加速器主要负责产生中子所需要的高功率质子束,它决定整个装置的主要性能指标。

  “靶站则是产生中子的核心装置,它决定着质子到中子的转换效率和慢中子的能谱分布。”崔树旺说,靶站通常是由重金属靶、慢化器、反射体、冷却系统和生物屏蔽体等部分组成。经过质子加速器加速的高强度质子束进入重金属靶后,会与重金属原子的原子核碰撞,通过核内级联和核外级联等复杂的核反应,重金属原子的原子核会散裂出包括中子在内的多种高能质子。

  崔树旺称,中子散射谱仪则是用于中子散射实验的装置,是散裂中子源多学科应用的最主要方面,可根据不同的用途探测中子物理量的变化。

  “我国散裂中子源由一台8000万电子伏特的负氢离子直线加速器,一台束流动能为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器,2条束流运输线,1个靶站,和20台(一期3台)中子散射谱仪等科学实验设施以及相关配套设施组成。”崔树旺介绍。

  那么散裂中子源究竟是如何工作的呢?又是如何实现打靶的呢?

  “散裂中子源工作的基本原理,是通过散裂反应产出中子。”崔树旺表示,在散裂中子源的源头,负氢离子产生后,在直线加速器里加速,经过剥离掉电子转化成质子,质子束积累到一定强度后,会注入环形加速器继续加速,达到16亿电子伏的能量后,从环形加速器引出,经传输线打向重金属(如钨或铀)靶。

  “重金属靶在被轰击时,原子核温度升高,许多的中子就会‘沸腾’起来并脱离原子核的束缚,进而产生大量的中子。”崔树旺称,当一个高能质子,打到重金属原子核上时,一些中子便会被轰击出来,这个在靶中发生的产生大量中子的过程被称为散裂反应。

  “就像将一个篮球用力投掷到装满球的筐中,有一些球会立刻蹦出来,而另一些球则在一段时间的作用后弹跳并翻出筐外。”崔树旺称,散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。

  8月28日上午10时,随着中国散裂中子源工程总指挥兼工程经理、中国科学院院士陈和生发出指令,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶。10时56分,散裂中子源顺利获得中子束流。

  “这表明中国散裂中子源的加速器和靶站设计科学合理,证明了各项设备加工制造与安装调试的高质量和高可靠性。”崔树旺称,同时也标志着CSNS主体工程顺利完工,进入试运行阶段。

  3

  未来:

  将为开采可燃冰等众多研究提供依据

  2018年中国散裂中子源建成后,将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,同时其也将会和美国、日本、英国散裂中子源一起并称为世界四大散裂中子源。

  那么我国为什么要建设散裂中子源呢?

  “一方面,建设高性能的散裂中子源已经成为科学界普遍认同的提高科技创新能力的重要举措之一。”崔树旺称。进入21世纪,美、日、欧等发达国家和地区认识到能提供更高脉冲中子通量和中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位,相继斥巨资建设新一代的散裂中子源,我国自然不能落后。

  另一方面,随着我国科技的不断进步,相应的研究体系(如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等)的尺度分布越来越大,获得数量在克量级的样品也越来越困难。崔树旺称,“小样品的高分辨测量迫切需要新一代量更高、波段更宽的中子源,因此散裂中子源的建设便被排上日程。”

  “通过验收后,中国散裂中子源将充分发挥第一期三台中子散射谱仪在材料科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,成为国际前沿的高技术、多学科应用的大型平台。”崔树旺称。

  作为一种新型能源,可燃冰在未来有着极大的利用空间,然而这种储存有大量甲烷等有机可燃小分子的水合物却“躲”在深深的海底,不愿轻易露出“真容”而被人类勘探挖掘。而散裂中子源在高压下的中子衍射技术可以用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

  不仅如此,建成后的散裂中子源还可用于材料的基因探测与研究,通过利用比原子核更小的中子来探测物质的微观世界,它能像检测生物的DNA一样来测量材料的微观情况,从中检测材料的“病症”,并开出对应的药方。

  “一块用一般的检测方法看上去很正常的钢板,在散裂中子源技术的检测下可能会发现残余应力的问题。”崔树旺称,这种对工程材料和部件缺陷及应力的深度监测,可以更好地帮助设计者优化机械加工工艺,使材料变得更安全。

  散裂中子源还在众多领域中发挥着重要作用:在工农业生产领域,它可以研究石油输油管线裂纹的成因、研究大豆根系的生长情况;在航空航天领域,通过散裂中子源项目发展起来的强流质子加速器,可以研究航天器件辐照效应的地面模拟实验;在生命医疗领域,散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究,并已在许多发达国家应用……

  “不论如何,中国散裂中子源已经揭开了大科学装置的神秘面纱,在不久的未来,它将带给我们一个又一个的惊喜。”崔树旺称。

  (本版图片均来自中国科学院高能物理研究所官网)